基于PVsyst的某地区火车站BIPV系统仿真与优化设计

2022-08-30李光金孔志伟

南通职业大学学报 2022年2期

李超，李光金，王琦，孔志伟

（山东建筑大学信息与电气工程学院，济南 250101）

0 引言

目前，随着经济的快速发展，建筑数量逐年递增，建筑高能耗问题也日益突显。为降低建筑能耗，兼顾建筑物照明及其他功能需求，可在建筑物表面敷设太阳能光电板以实现节能减排目标[1]。光伏建筑一体化（BIPV）作为现代建筑与光伏系统完美结合的新技术，正逐步成为光伏应用领域的研究热点[2-3]，也是广泛推广绿色建筑以实现“双碳”目标的主要途径[4]。

作为光伏系统设计领域常用辅助软件，PVsyst配有计算阴影的3D工具、太阳能几何学、气象学及光伏运行特性的工具箱，在仿真的同时，可确定和显示气象、电压、电流、能量和性能等数据，还可根据实际需要手动调节参数。使用PVsyst能设计光伏发电系统，也可进行年发电量预测及损失预测等。目前，众多研究成果多侧重于使用PVsyst对各类单一朝向建筑物的光伏阵列发电系统进行仿真或发电量预测[5－8]，未涉及多朝向受光光伏阵列的BIPV建筑。

本文以山东淄博某火车站为研究案例，在根据当地气象数据进行太阳能资源评估的基础上，计算并设计BIPV系统，并利用PVsyst进行系统模拟，分析各项损耗，预测系统发电量。

1 山东淄博地区太阳能资源评估

光伏发电是以光生伏特效应原理为基础，利用太阳电池将太阳光能直接转换为电能的技术。天气条件是影响光伏发电效率的主要因素，因此，在进行光伏发电系统设计前，必须收集当地的气象数据，评估项目地区的太阳能资源。

山东淄博地区平均海拔高度为34.5 m，位于北纬35.55°，东经117.32°，属于暖温带季风气候，阴雨天气较少。根据Meteonorm气象数据库可得该地区太阳能数据如表1所示。

表1 山东淄博地区年太阳能资源数据

表1给出了山东淄博地区的月平均太阳辐射量数据，具体包括月平均水平辐射量、漫反射量、温度和风速。其中，淄博地区的全年总辐射量为1 368.6（kW·h·m－2），漫反射辐射量为857.0（kW·h·m－2），年平均温度为14℃，年平均风速为2.6 m/s。按照表2标准进行太阳能资源丰富带等级划分，该地区处于太阳能资源丰富带（Ⅲ），冬季太阳辐射量低，3—9月份太阳辐射量高，全年有6个月辐射量在120（kW·h·m－2）以上。由《太阳能资源评估方法》可知，该地区具有良好的太阳能利用价值，适宜于建筑屋顶光伏设计。

2 太阳辐射度模型建立

太阳能系统设计需进行能量衡算，目前，有按日、月、年三种方法。由于太阳辐射具有随机性，若按日进行能量衡算[9]，则计算过于烦琐，也不具实际意义；若以年进行能量衡算又过于粗糙，且除了赤道地区外，很多地区春夏秋冬变化明显，所以按月进行能量衡算较为合理。目前，在计算光伏板收集太阳能辐射量（Qs）时，主要考虑因素为光伏板收集面的直射辐射（Ds）、散射辐射（Ss）和反射辐射（Rs），即：

表2 太阳能资源丰富带划分标准

对于散射辐射计算又有各向同性分布与各向异性分布两种模型[10-11]。

2.1 天空各向同性模型

各向同性模型由Liu和Jordan提出并被Klein所完善，是长期以来普遍采用的计算太阳散射辐射量的数学模型。该模型将天空中的散射辐射看作均匀分布，倾斜面月平均太阳辐射量，其计算式为

式中，β为斜面倾角，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬，ωs为日落时角，ρ为地面反射率。

2.2 天空各向异性模型

经长期研究得到的天空太阳辐射各向同性模型计算方便，但不准确，特别是太阳辐射月平均值与实际情况存在较大差异。

1981年，针对北半球朝向赤道（方位角γ=0°）倾斜面的特殊情况，Klein和Theilacker提出了一种根据天空各向异性模型的计算方法。其倾斜面上太阳月平均总辐射量与水平面上月平均总辐射量的比值可由式（5）[12]求得。

式中，GT为倾斜面上太阳辐射度，G为水平面上太阳辐射度，tss为倾斜面上日落时间，tsr为倾斜面上日出时间。

根据各地实际太阳辐射数据，可得斜面上太阳辐射度GT和水平面上的太阳辐射度G。当倾斜面与水平面上太阳月平均总辐射量之比R¯最大时，光伏组件倾斜角β为最佳。由天空各向异性模型理论可知，北半球北面天空的平均散射辐射要比南面天空小，因此各向同性模型推算的朝南斜面获取的能量之比要小于异性模型的结果。

结合淄博地区太阳辐射数据及太阳辐射度模型可知，光伏组件倾角与太阳能辐射的关系如式（2）所示。若使倾斜角和方位角达到最优结果，需同时满足三个条件：斜面辐射与水平辐射之比为最大；相对于最优化的损失比为零；倾斜面辐射能最大。由PVsyst软件可知，淄博地区光伏阵列最佳安装倾角为32°，最佳方位角为0°（正南方向），如图1所示。

图1 淄博地区光伏阵列最佳安装倾角及方位角

3 淄博市某火车BIPV系统设计

山东省淄博市某火车站位于东经36.79°，北纬118.05°，海拔50 m，峰值日照时间4.9 h，年有效利用时长为1 412.92 h，年总辐射量为1 368.8（kW·h）/m2，属于太阳能丰富地区，适用于安装BIPV（光伏建筑一体化）系统。光伏阵列位于建筑物顶层四面安装，屋顶前后左右光伏阵列四面倾角分别为3°、4°、4°、4°，方位角分别为23°、-157°、113°、-67°；光伏阵列面积分别为2 283 m2、2 283 m2、460 m2、460 m2。由于火车站需要安装光伏组件的屋顶是倾斜的，所以阵列之间不会出现相互遮挡问题。

3.1 光伏组件选型

并网光伏发电系统具有灵活性，不仅能保证白天有足够的发电量，在夜间和雨雪等恶劣天气时，还能利用公共电网输送的电力，确保供电稳定性。该系统产生的电量主要供用户自用，多余电量接入电网，缓解了电网的传输和分配负担并避免资源浪费。因此，分布式并网光伏发电系统为本项目的设计重点。市场上应用最广、技术较成熟的光伏电池主要为晶体硅电池，分为多晶硅和单晶硅两种。其中，多晶硅电池光电转换效率略低于单晶硅，但性价比高，成本相对较低，市场应用最多。该建筑接近于平屋顶，有较大的光伏电池板安装面积，可自由安装电池板，无须考虑影响美观性。为达到效率成本的最优化，首选多晶硅太阳能电池。由于市场上多晶硅电池品牌众多，性能相差无几，本项目选用250 Wp的多晶硅太阳能电池组件，其规格为1 640 mm×992 mm×50 mm，重量为19.1 kg，具体参数见表3。

表3 多晶光伏电池组件具体参数

电池转换效率与温度、辐照度关系曲线如图2所示。图2表明，相同温度下，太阳能电池板的转换效率随太阳辐照度升高而升高，而在相同辐射照度下，则随温度升高而降低。太阳能电池板的转换效率越高，相同功率的电池板面积就可越小。因此，在进行光伏组件安装设计时，需要考虑温度与辐照度影响，确保安装环境通风散热，避免光电转换效率受组件升温过高的影响。同时，为保证足够的辐照度，在安装设计中应该减少阴影的影响。

图2 不同温度的电池转换效率与辐照度关系曲线

3.2 逆变器选择

由于光伏发电产生的是直流电，需转换成交流电提供给用户或电网，因此光伏逆变是必不可少的环节。光伏逆变器的性能直接影响并网系统的稳定性与发电量。为满足安装灵活、发电量高、故障率低及成本控制等要求，经综合对比分析各项因素，最终选用阳光电源厂家出售的组串型SG30KTL-M逆变器。该逆变器具有重量轻、外形美观、系统可靠性高、环境适应性强及转换效率高等优点。

4 建模及仿真设计

图3 基于PVsyst的淄博火车站BIPV三维模型

在PVsyst软件中设置相关参数和设备型号，并根据建筑物实际形状进行3D建模，如图3所示。采用PVsyst软件对所设计的BIPV系统进行仿真，得到仿真运行结果并以PDF格式报告，包括系统全年发电量预测及系统的各种损耗数据。

4.1 BIPV系统全年发电量预测

经预测计算得BIPV系统全年发电量如表4。由表4可知，系统全年的最大发电量在5月，可达122.7 MW·h，12月发电量最小，为45.0 MW·h。光伏组件全年接收的太阳辐射量为1 363.7（kW·h）/m2，光伏阵列全年输出的有效能量为1 008.0 MW·h，光伏建筑一体化系统全年向公共电网输送的有效电量为936.4 MW·h，全年交直流发电性能比为0.817。预测数据表明，系统性能良好。

4.2 光伏系统损失分析

图4列出了系统的各种损失情况。其中：采光面总损失为4.77%，可通过调整光伏电池板的倾角减小该损失；温度导致的光伏能量损失为5.43%，在BIPV系统损耗中占比较大；在日常运行过程中，应加强光伏组件的工作环境维护，保持屋顶通风，使其散热效果良好，以减少温度因素对系统的损失。由于组件线路存在0.75%的失配损失和2.1%的电阻线路损失，所以应尽可能装配电阻较小的线路。经对比得知，逆变器在运行过程中产生的损失（对应效率）占比最大，达7.1%，因此，在运行过程中要始终保持逆变器输入功率在最佳区间内。